본 논문은 독립적으로 출력전압을 제어하는 단일 PWM을 기반으로 한 다중출력 공진형 컨버터의 설계와 구현을 다룬다. 즉, 서로 독립적인 무선전력전송 시스템의 출력들을 하나의 제어 신호로 조절하는 새로운 기법을 설명한다. 제안하는 방법의 동작원리는 무선통신 분야에서 사용되는 신호 ...
본 논문은 독립적으로 출력전압을 제어하는 단일 PWM을 기반으로 한 다중출력 공진형 컨버터의 설계와 구현을 다룬다. 즉, 서로 독립적인 무선전력전송 시스템의 출력들을 하나의 제어 신호로 조절하는 새로운 기법을 설명한다. 제안하는 방법의 동작원리는 무선통신 분야에서 사용되는 신호 송수신기의 원리와 비슷하다. 무선통신 분야에서, 다수의 무선신호들은 변조된 후 중첩되어, 단일 RF 전송선을 통해 혼성되어 전송된다. 이러한 음성신호들은 AM과 FM 기법을 통해 전송 및 제어한다. 본 논문에서 이러한 기법들이 전력의 범위가 다른 다출력의 전력을 전송하는 곳에도 전력전자의새로운 토폴로지 및 제어기술로서 적용될 수 있다. 제안된 시스템은 고주파 인버터 출력을 변압기공극을 통하여 무선으로 조절할 수 있는 1차 전송코일을 포함하는 단일 전송채널로 설계할 수 있다. 특정 주파수 범위를 각각의 출력에 할당하고 할당된 주파수를 갖는 정현파 전압 성분이 각각의 출력을 조절하는 제어신호로서 생성된다. 그렇게 혼성된 모든 개별 조절 신호들은 하나의 조절 신호로 중첩되어 인버터 회로의 PWM을 생성하는 용도로 사용된다. 각 출력의 2차측에 장착된 픽업 코일은 보상 커패시터와 연결되어, 대역통과공진 필터로서 작용한다. 그러므로 이러한 과정을 통해 제안하는 무선전력전달 시스템의 모든 출력은 AM과 FM 기술을 통해 제어가 가능하고 높은 효율과 저비용을 달성할 수 있다. 기술적인 도전과제로서, 제안하는 컨버터의 성능향상 기법과 타당성, 설계, 그리고 실제적인 고려사항들을 다루었다. 특별히 제어기 설계를 위하여, 제안하는 토폴로지 내의 채널 간 간섭에 대한 영향을 포함한 다출력 공진형 토폴로지에 대한 소신호 모델링을 수행할 것이다. 이에 따라 최악의 동작 조건에서도 성공적으로 작동할 수 있는 폐루프 시스템을 설계할 수 있다. 또한, 소프트 스위칭 분석과 고조파 분석을 포함하여 전체 시스템의 효율 및 제어 성능 향상을 위해 다양한 분석에 기반한 설계기법이 제안된다. 최종적으로 4개의 출력이 독립적으로 제어되는 공진형 컨버터 시스템을 회로 시뮬레이터를 이용하여 이론적인 파형을 유도하였으며, 이러한 해석적 분석결과를 하드웨어 제작을 통해 검증하고, 제안하는 공진형 무선전력전달 시스템 성능을 입증하였다.
본 논문은 독립적으로 출력전압을 제어하는 단일 PWM을 기반으로 한 다중출력 공진형 컨버터의 설계와 구현을 다룬다. 즉, 서로 독립적인 무선전력전송 시스템의 출력들을 하나의 제어 신호로 조절하는 새로운 기법을 설명한다. 제안하는 방법의 동작원리는 무선통신 분야에서 사용되는 신호 송수신기의 원리와 비슷하다. 무선통신 분야에서, 다수의 무선신호들은 변조된 후 중첩되어, 단일 RF 전송선을 통해 혼성되어 전송된다. 이러한 음성신호들은 AM과 FM 기법을 통해 전송 및 제어한다. 본 논문에서 이러한 기법들이 전력의 범위가 다른 다출력의 전력을 전송하는 곳에도 전력전자의새로운 토폴로지 및 제어기술로서 적용될 수 있다. 제안된 시스템은 고주파 인버터 출력을 변압기 공극을 통하여 무선으로 조절할 수 있는 1차 전송코일을 포함하는 단일 전송채널로 설계할 수 있다. 특정 주파수 범위를 각각의 출력에 할당하고 할당된 주파수를 갖는 정현파 전압 성분이 각각의 출력을 조절하는 제어신호로서 생성된다. 그렇게 혼성된 모든 개별 조절 신호들은 하나의 조절 신호로 중첩되어 인버터 회로의 PWM을 생성하는 용도로 사용된다. 각 출력의 2차측에 장착된 픽업 코일은 보상 커패시터와 연결되어, 대역통과공진 필터로서 작용한다. 그러므로 이러한 과정을 통해 제안하는 무선전력전달 시스템의 모든 출력은 AM과 FM 기술을 통해 제어가 가능하고 높은 효율과 저비용을 달성할 수 있다. 기술적인 도전과제로서, 제안하는 컨버터의 성능향상 기법과 타당성, 설계, 그리고 실제적인 고려사항들을 다루었다. 특별히 제어기 설계를 위하여, 제안하는 토폴로지 내의 채널 간 간섭에 대한 영향을 포함한 다출력 공진형 토폴로지에 대한 소신호 모델링을 수행할 것이다. 이에 따라 최악의 동작 조건에서도 성공적으로 작동할 수 있는 폐루프 시스템을 설계할 수 있다. 또한, 소프트 스위칭 분석과 고조파 분석을 포함하여 전체 시스템의 효율 및 제어 성능 향상을 위해 다양한 분석에 기반한 설계기법이 제안된다. 최종적으로 4개의 출력이 독립적으로 제어되는 공진형 컨버터 시스템을 회로 시뮬레이터를 이용하여 이론적인 파형을 유도하였으며, 이러한 해석적 분석결과를 하드웨어 제작을 통해 검증하고, 제안하는 공진형 무선전력전달 시스템 성능을 입증하였다.
This dissertation work includes the design and implementation of an independently controlled single PWM based multiple-output resonance wireless converter system. A novel control technique explained in this dissertation requires just one control signal to regulate all the outputs of the wireless pow...
This dissertation work includes the design and implementation of an independently controlled single PWM based multiple-output resonance wireless converter system. A novel control technique explained in this dissertation requires just one control signal to regulate all the outputs of the wireless power transfer system completely independent to each other. The working principle of the proposed concept is similar to the signal transmitter and signal receiver technique used in radio communication field. In radio communication field, multiple radio signals are mixed and transmitted from the radio station through a single RF physical transmission channel. They are transmitted and controlled through AM (Amplitude Modulation) and FM (Frequency Modulation) techniques.
The technique can also be extended to multiple output wireless applications to transfer electrical power of different range without much complexity. The system consists of a single transmission channel which includes a high frequency inverter circuit and a primary transmission coil. A particular frequency range is assigned to each output and a separate sinusoidal voltage component is reserved as a modulating signal for that corresponding outputs. Then by mixing (adding) all the modulating signals, a single superposed modulating signal is produced. The superposed sinusoidal signal serves as a reference signal and a PWM control signal is generated by comparing it with a high frequency carrier signal. A pick-up coil which includes a separate resonant band pass filter connects each of the outputs to the primary transmission coil wirelessly. Because the center frequency of each band pass filters is different from each other, each of the band pass filter can allow only the signals which are with in their frequency band. Therefore, through this concept all the outputs of the proposed wireless power transfer system can be controlled through AM (Amplitude Modulation) and FM (Frequency Modulation) techniques effectively at minimum cost and high efficiency. The limitations of the previous versions of the multiple-output resonant converters are addressed. After overcoming all the limitations, the concept has been extended to wireless converter system thanks to its low Q and efficient power stage. The technical challenges, performance enhancement technique, feasibility, design challenges and practical considerations of the proposed converter concept are discussed. The small signal modelling of the proposed multiple-output resonant topology is carried out including the effects of all interference components. The closed loop system is then designed to successfully implement the proposed converter even under the worst operating conditions. Analytical calculations have been done to enhance the performance of the system including soft-switching analysis and harmonic analysis. Finally, the performance of the proposed multiple resonant based wireless converter system has been validated with a design example of an independently controlled four-output resonant converter system.
This dissertation work includes the design and implementation of an independently controlled single PWM based multiple-output resonance wireless converter system. A novel control technique explained in this dissertation requires just one control signal to regulate all the outputs of the wireless power transfer system completely independent to each other. The working principle of the proposed concept is similar to the signal transmitter and signal receiver technique used in radio communication field. In radio communication field, multiple radio signals are mixed and transmitted from the radio station through a single RF physical transmission channel. They are transmitted and controlled through AM (Amplitude Modulation) and FM (Frequency Modulation) techniques.
The technique can also be extended to multiple output wireless applications to transfer electrical power of different range without much complexity. The system consists of a single transmission channel which includes a high frequency inverter circuit and a primary transmission coil. A particular frequency range is assigned to each output and a separate sinusoidal voltage component is reserved as a modulating signal for that corresponding outputs. Then by mixing (adding) all the modulating signals, a single superposed modulating signal is produced. The superposed sinusoidal signal serves as a reference signal and a PWM control signal is generated by comparing it with a high frequency carrier signal. A pick-up coil which includes a separate resonant band pass filter connects each of the outputs to the primary transmission coil wirelessly. Because the center frequency of each band pass filters is different from each other, each of the band pass filter can allow only the signals which are with in their frequency band. Therefore, through this concept all the outputs of the proposed wireless power transfer system can be controlled through AM (Amplitude Modulation) and FM (Frequency Modulation) techniques effectively at minimum cost and high efficiency. The limitations of the previous versions of the multiple-output resonant converters are addressed. After overcoming all the limitations, the concept has been extended to wireless converter system thanks to its low Q and efficient power stage. The technical challenges, performance enhancement technique, feasibility, design challenges and practical considerations of the proposed converter concept are discussed. The small signal modelling of the proposed multiple-output resonant topology is carried out including the effects of all interference components. The closed loop system is then designed to successfully implement the proposed converter even under the worst operating conditions. Analytical calculations have been done to enhance the performance of the system including soft-switching analysis and harmonic analysis. Finally, the performance of the proposed multiple resonant based wireless converter system has been validated with a design example of an independently controlled four-output resonant converter system.
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